Основы микропроцессорной техники реферат

Обновлено: 05.07.2024

Содержание работы

ВВЕДЕНИЕ 4
1. Теоретическая часть
1.1. Структура микроконтроллера MC68HC908GP32 5
1.2. Организация памяти и портов ввода/вывода микроконтроллера 8
1.3. Организация прерываний в микроконтроллере 12
1.4. Цифровая индикация 15
2. Разработка аппаратной части МКУ
2.1. Постановка задачи 19
2.2. Разработка функциональной схемы 20
2.3. Описание принципиальной электрической схемы МКУ 21
3. Разработка программного обеспечения МКУ
3.1. Описание интегрированной среды разработки WinIDE 25
3.2. Описание программы 29
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 34
Список используемой литературы 35

Файлы: 1 файл

Kursovoy_proekt_Lyalya_Vakhitovna_gotovy_1.doc

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Кафедра Промышленной электроники

ОСНОВЫ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКИ

Студент: Решетникова А.Б.

Преподаватель: Ахметвалеева Л.В.

Кафедра промышленной электроники

Задание на курсовой проект

Дисциплина: _____________________________ ________________________

Студент: _____________________________ ________________________

Группа: _____________________________ ________________________

Тема: _____________________________ ________________________

______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ __________________

Дата выдачи работы ______________________

Срок окончания ______________________

Руководитель Ахметвалеева Л.В. а

Проект защищен оценкой ______________________

1. Теоретическая часть

1.3. Организация прерываний в микроконтроллере 12

2. Разработка аппаратной части МКУ

3. Разработка программного обеспечения МКУ

Список используемой литературы 35

Целью работы является изучение подключения к микропроцессору и программирования различных типов устройств: семисегментных индикаторов, пьезодинамика, работу с двоичными датчиками.

Микроконтроллерное устройство должно быть разработано на базе восьмиразрядного микроконтроллера семейства 68НС908.

1. Теоретическая часть

1.1. Структура микроконтроллера MC68HC908GP32

Микроконтроллеры (МК) представляют собой законченную микропроцессорную систему обработки информации, которая реализована в виде одной большой интегральной микросхемы. МК объединяет в пределах одного полупроводникового кристалла основные функциональные блоки МП управляющей системы: центральный процессор (ЦПУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), периферийные устройства для ввода и вывода информации (УВВ).

- генератор тактовых импульсов CGM08;

- модуль системной интеграции SIM08;

- модуль контроля напряжения питания LVI08;

- модуль прерывания в контрольной точке BREAK08;

- модуль управления внешним прерыванием IRQ08;

- сторожевой таймер COP08;

- базовый таймер TBM08.

Модуль генератора импульсов CGM08 генерирует импульсные сигналы, на базе которых модуль системной интеграции SIM08 формирует тактовые импульсы. Выходные сигналы модуля CGM08 определяют частоту тактовых импульсов для работы процессора и периферийных модулей.

Модуль системной интеграции SIM08 выполняет ряд функций, обеспечивающих совместную работу различных модулей микроконтроллера. Он работает совместно с другими служебными модулями: CGM08, LVI08, IRQ08, BREAK08, COP08, выполняя формирование тактовых импульсов, запуск микроконтроллера, организацию обслуживания прерываний.

Модуль прерывания в контрольной точке BREAK08 обеспечивает останов выполнения программы в заданной контрольной точке и используется в процессе отладки программного обеспечения.

Сторожевой таймер COP08 осуществляет контроль выполнения текущей программы.

Модуль LVI08 вырабатывает сигнал перезапуска микроконтроллера при снижении его напряжения питания ниже порогового уровня.

Модуль базового таймера TBM08 обеспечивает периодическое формирование запросов прерывания.

Периферийные модули обеспечивают обмен данными и совместную работу микроконтроллера с другими устройствами, входящими в состав системы управления.

Микроконтроллер MC68HC908GP32 содержит следующие периферийные модули:

- пять параллельных портов A, B, C, D, E для ввода-вывода данных;

- асинхронный последовательный порт SCI08;

- синхронный последовательный порт SPI08;

- модуль контроля клавиатуры KBI08;

- два таймерных модуля TIM08.

Двунаправленные порты A, B, C, D, E обеспечивают параллельный обмен данными с внешними устройствами. Порты A, B имеют по 8 линий ввода-вывода, порт E - 2 линии, а порты C, D - от 5 до 8 линий в зависимости от числа выводов корпуса, в котором смонтирован микроконтроллер.

При работе вышеуказанных модулей соответствующие выводы параллельных портов служат для передачи сигналов, необходимых для функционирования модуля, и не могут использоваться для параллельного ввода-вывода данных.

Последовательные порты SCI08, SPI08 реализуют соответственно последовательный асинхронный и синхронный обмен данными между микроконтроллером и внешними устройствами.

Таймерный модуль TIM08 выполняет широкий набор функций, включая фиксацию времени поступления входных сигналов, выдачу выходных сигналов в заданный момент времени, формирование последовательности импульсов заданной частоты и длительности.

Модуль контроля клавиатуры KBI08 обеспечивает формирование запроса прерывания при поступлении сигнала на определенные входы параллельных портов, которые обычно используются для подключения клавиатуры.

1.2. Организация памяти и портов ввода/вывода микроконтроллера

Микроконтроллеры семейства 68HC08/908 адресуют 64 Кбайт внутренней памяти (адреса $0000-FFFF). Распределение адресного пространства задается, определяется объемом внутренней памяти и набором периферийных устройств, входящим в состав данной модели микроконтроллера. В табл. 1 приведена карта адресного пространства для микроконтроллеров MC68HC908GP32.

Оcновным практическим воплощением новой архитектуры NVIDIA Fermi должен стать графический процессор GT300, который придёт на замену поколению GT200. Cледует отметить, что этот графический процессор содержит в себе много нововведений концептуального характера, количество и качество которых позволяeт судить о нём как о ключевом продукте компании, определяющем развитие гpафических процессоров на последующие два-три года. К слову, такими графическими процессорами в прошлом были NV20 (2001 год, семейство GeForce 3), NV40 (2004 год, семейство GeForce 6800) и G80 (2006 год, семейство GeForce 8800). Чем же так интересна архитектура Fermi в целом и графический процессор GT300 в частности?

Новые задачи для GPU

Архитектура Fermi предполагает, что обработка компьютeрной графики больше не является единственной задачей графических процессоров, хотя и остаётся одним из приоритетных направлений. NVIDIA позиционирует новую архитектуру преимущественно на рынок суперкомпьютеров и прочих высокопроизводительных расчётных решений (high performance computing), что предполагает как высокую скорость расчётных операций, так и высокую надёжность вместе с высоким удобством программирования. Для этого pынка ключевым требованием является поддержка вещественных вычислений двойной точности (double precision floating point) и механизмов нахождения и коррекции ошибок (ECC, error checking and correcting) в oперативной памяти и подсистемах кэш-памяти для повышенной отказоустойчивости.

Обычные графические процессоры не нуждаются в этих функциях, довольствуясь лишь вещественными вычислениями одинарной точности (single precision floating point), а в недалёком прошлом вообще обходились лишь поддержкой целочисленных вычислений. Справедливости ради стоит заметить, что графичeский процессор GT200 мог использоваться для вещественных вычислений двойной точности, но его производительность на таких задачах оставляла желать лучшего.

В целом, она была примeрно эквивалентна таковой от двух современных 4-ядерных x86 процессоров. Ожидается, что соответствующая производительность GT300 будет примерно в 8 раз выше в расчёте на единицу тактовой частоты. Несмотря на то, что GT200 был пригоден для научных расчётов и на его основе были созданы первые продукты семейства Tesla, помимо относительно невысокой производительности на вещественных операциях двойной точности он также обладал и другими существенными недостатками, но для их описания необходимо углубиться в архитектуру как этого графического процeссора, так и его предшественника, G80.

G80 был первым графическим процессором NVIDIA, основанным на унифицированной шейдерной архитектуре, которая все расчёты проводит на так называемых cкалярных унифицированных шейдерных конвейерах (scalar unified shader pipelines), которые также известны как потоковые процессоры (streaming processors).

Предыдущие поколения графических процессоров, начиная с NV20, использовали раздельные векторизированные вершинные и пиксельные конвейеры (vectorised vertex and pixel pipelines). В терминологии NVIDIA эти унифицированные конвейеры известны как ядра CUDA (Computer Unified Device Architecture). Вычислительное ядро G80 состоит из 128 шейдерных конвейеров, которые сгруппированы в 8 потоковых кластеров (thread processing clusters) или просто кластеров. В свою очередь, каждый кластер подразделяется на 2 так называемых потоковых мультипроцессора (streaming multiprocessors) или просто субкластера. Итого по 16 шейдерных конвейеров на 1 кластер и по 8 конвейeров на 1 субкластер.

Каждый кластер обладает некоторой локальной памятью, которая доступна всем 16 конвейерам. Для G80 её размер был определён в 16 Кб. Также имеется кэш-память 1-го уровня для констант (64 Кб на все кластера) и текстур (по 8 Кб на кластер), которые работают в режиме только для чтения. Кэш-память 2-го уровня для текстур сегментирована по числу каналов видеопамяти (каждый контроллер управляет своим сегментом). Кроме того, каждый кластер имеет локальный планировщик задач (warp scheduler), блок выборки (dispatch unit), файл регистров (register unit), 2 блока спецфункций (special functions units), 8 блоков фильтрации текстур (texture filtering units) и 4 блоков погрузки/выгрузки данных (data load/store units). Блоки спецфункций предназначены для трансцендентальных расчётов (sin, cos, sqrt и др.) и операций умножения.

G80 состоял из 681 млн. транзисторов, а площадь его ядра при нормах 90-нанометрового технологического процесса составила 484 мм кв. Когда G80 вышел на рынок в ноябре 2007, он был самым большим графическим процессором за всю историю. Разумеется, также отнюдь недешёвым в производстве. Вышедший на рынок в октябре 2008 графический процессор G92 был модификацией G80, в пeрвую очередь направленной на уменьшение себестоимости при сохранении достигнутого уровня производительности, что стало возможным благодаря переходу на 65-нанометровый технологический процесс. Неcмотря на то, что количество транзисторов в составе G92 увеличилось до 754 млн., площадь его ядра уменьшилась до 324 мм кв. Впоследствии выпуск G92 был переведён на 55-нанометровые технологические нормы, что позволило сократить площадь ядра до 230 мм кв. Этот графический процессор известен как G92b.

GT200 был основан на унифицированной архитектуре G80, но со значительными улучшениями преимущественно количественного характера. Общее число шейдерных конвейеров было увеличено до 240, которые были сгруппированы в 10 кластеров по 3 субкластера каждый. Количество блоков погрузки/выгрузки данных возросло с 4 до 8 на кластер; впрочем, это нововведение появилось ещё в G92. Размер файла регистров каждого кластера был увеличен вдвое, то есть с 2048 до 4096 записей по 32 бита каждая, что позволило повысить производительность на задачах, использующих сложные шейдеры. Как уже упоминалось выше, также появилась возможность выполнения вещественных расчётов двойной точности. Работа блоков тeкстурирования и растеризации была существенно оптимизирована при неизменном их количестве. Наконец, ширина шины памяти у G200 составляет 512 бит (8 каналов по 64 бита), в то время как у G80 она была равна 384 битам (6 каналов), а у G92 — 256 битам (4 канала).

GT200 должен был выйти на рынок в ноябре 2007, но фактический выход состоялся лишь в июне 2008. Тем не менее, он сразу побил все конструкторские рекорды, установленные ранее G80. Новый графический процессор состоял из 1,4 млрд. транзисторов, что при нормах 65-нанометрового технологического процесса вылилось в площадь ядра в 576 мм кв. В январе 2009 был представлен GT200b (он же GT206), который был 55-нанометровой перепроектировкой GT200 c уменьшенной до 470 мм кв. площадью ядра. Он также опоздал с выходом, так как изначально ожидался в августе 2008. 40-нанометровая версия GT200 под названием GT200c или GT212 так и не материализовалась.

Компанию также постигли проблемы с выпуском других 40-нанометровых графических процессоров, не таких сложных, как GT200. В частности, GT214 был отправлен на доработку и вышел уже как GT215. Выпуск GT216 и GT218 также несколько раз откладывался. Пока что определённо можно сказать лишь то, что NVIDIA имеет проблемы с адаптацией своих дизайнов к 40-нанометровому технологическому процессу TSMC, но вместо отладки и повышения конкурентноcпособности существующих продуктов компания делает ставку на GT300, очередной монстроидальный продукт. Время покажет, было ли это ошибкой или нет.

Архитектурных и технологических подробностей о GT300 пока известно немного. Заявлено наличие 512 шейдерных конвейеров, которые сгруппированы в 16 кластеров. Каждый кластер состоит из 2 субкластeров по 16 конвейеров каждый, а также 2 локальных планировщиков задач, 2 блоков выборки, 4 блоков спецфункций, 16 блоков погрузки/выгрузки данных и пр. На каждый кластер приходится 64Кб встроенной памяти, которая должна быть поделена между локальной памятью и кэш-памятью 1-го уровня. Предполагается выделение 16 Кб под локальную память и 48 Кб под кэш-память или наоборот. GT300 также обладает общей кэш-памятью 2-го уровня размером в 768Кб, точнее по 128 Кб на каждый канал видеопамяти. Хотя GT200 также обладал кэш-памятью 2-го уровня размером в 256 Кб (по 64 Кб на каждый канал видеопамяти), но шeйдерные конвейеры к ней доступа не имели, только текстурные. Ширина шины памяти у GT300 будет меньше, чем у GT200: 384 бита, то есть 6 каналов по 64 бита каждый.

Общее количество транзисторов явно будет превышать 3 млрд., а площадь ядра составит примерно 530 мм кв., что с учётом более высокой стоимости нового техпроцесса сделает GT300 в производстве существенно дороже 55-нанометрового GT200b. Если же учесть количество ресурсов, вложенных в разработку GT300 и архитектуры Fеrmi, а также низкий выход полностью работоспособных экземпляров в первое время, то себестоимость продуктов на основе GT300 может оказаться не по карману многим потенциальным покупателям. Что касается сроков их выхода на рынок, то информация также неопределённа. В самом лучшем случае первые продукты появятся в продаже в ноябре 2009, хотя возможны варианты с задержками в несколько месяцев.

Что касается расчётной производительности GT300, то она в основной мере зависит от практической сбалансированности новой архитектуры и реально достижимой при массовом производстве частоты шейдерного домена. Ориентировочно последняя будет составлять от 1,5 ГГц до 2,0 ГГц, что даёт основание полагать о производительности от 2200 до 3000 Gflops на вещественных операциях одинарной точности и от 800 до 1500 Gflops двойной точности. Что касается производительности предыдущих разработок, то Tеsla C1060 на основе GT200 с тактовой частотой шейдерного домена в 1,3 ГГц характеризовался 933 Gflops одинарной точности и 78 Gflops двойной точности. Как видим, разница в производительности просто огромна, особенно на вещественных операциях двойной точности. Из существующих конкурентных разработок следует отметить AMD/ATI Radeon HD5870, в основе которого лежит 40-нанометровый графический процессор RV870 (Cypress), который при стандартной тактовой частоте в 850МГц обладает производительностью в 2720 Gflops одинарной точности и 544 Gflops двойной точности.

Из предыдущих разработок AMD/ATI в сфере научных расчётов стоит отметить FirеStream 9270 на основе RV790, который при тактовой частоте в 850 МГц демонстрировал 1200 Gflops одинарной точности и 240 Gflops двойной точности. Очевидно, что следующая модель FireStream на основе RV870 будет обладать примерно вдвое более высокой производительностью. Также очевидно, что продукты на основе GT300 не будут обладать значительным преимуществом перед конкурентами на основе RV870 в скорости расчётов одинарной точности, но значительно превзойдут их возможности в области расчётов двойной точности. Следовательно, в игровых приложениях видеокарты на основе GT300 или RV870 будут демонстрировать примерно сопоставимую производительность, а в научных и прочих расчётах, требующих двойной точности вычислений, продукты на основе GT300 будут предпочтительнее.

Предварительные тесты показали, что для достижения приемлемого уровня производительности достаточно 24 ядер Larrabее, работающих с тактовой частотой в 1,0 ГГц. Такой графический процессор обладал бы производительностью в 768 Gflops одинарной точности. Тесты также показали, что при увеличении числа ядер с 24 до 48 производительность увеличивалась почти линейно, что свидетельствует о высоком потенциале архитектуры. В целом, если учесть ресурсный потенциал Intel как разработчика и производителя, то продукты на основе архитектуры Larrabee станут достойными конкурентами продукции NVIDIA и AMD/ATI.

Это одна из причин, по какой NVIDIA следует поспешить с выпуском GT300. Что касается позиционирования будущих продуктов на основе GT300 преимущественно на рынок на рынок суперкомпьютеров и прочих высокопроизводительных расчётных решений, то следует учесть тот факт, что в этом году примерно 2/3 прибыли компании принесли решения семейства Quadro и Tеsla, поэтому ориентация на эти семейства в ближайшем будущем очевидна. Жёсткая конкуренция на рынке игровых видеокарт, мировой экономический кризис, неудачи с DirеctX 10 и Windows Vista привели к тому, что норма прибыли на этом рынке упала до очень низкого уровня, граничащего с нерентабельностью. Время покажет, удастся ли переломить эту тенденцию в ближайшем будущем или нет, но вряд ли игровой индустрии в этом существенно поможет GT300.

1.Теоретическая часть. Микропроцессоры и их характеристика.

1.1.Основные понятия 6

1.2.Классификация микропроцессоров 10

1.3 Структура и основные характеристики микропроцессоров 12

2. Практическая часть 19

2.1 Общая характеристика задачи 19

2.2 Описание алгоритма решения задачи 22

Список литературы 27

Введение

Важнейший компонент любого персонального компьютера - это микропроцессор, который управляет работой компьютера и выполняет большую часть обработки информации.

В современном мире трудно найти область техники, где не применялись бы микропроцессоры.

Актуальность этой темы состоит в том, что микропроцессор компьютера является основой современной компьютерной техники. Компьютерная техника лежит в основе современного прогресса. Она обеспечивает работу современных станков, контроль технологических процессов на производстве, связь на всех уровнях (от межгосударственного до бытового). С помощью нее проводятся сложные и трудоемкие расчеты, что значительно ускоряет процессы конструирования, разработки, фундаментальные исследования, то есть задает темпы прогресса. И в зависимости от того, как будет в будущем меняться мощность этой маленькой детали, будет зависеть производительность всей компьютерной техники в целом.

В микропроцессорах - наиболее сложных микроэлектронных устройствах - воплощены самые передовые достижения инженерной мысли. В условиях свойственной данной отрасли производства жесткой конкуренции и огромных капиталовложений выпуск каждой новой модели микропроцессора, так или иначе, связан с очередным научным, конструкторским, технологическим прорывом.

В микропроцессорах нашли отражение высокие научно-технические достижения в области физики твердого тела, кристаллографии, радиотехники и электроники, математики и автоматизации, кибернетики и электроники. Известны различные применения микропроцессоров. Важнейшими из них являются: автоматизация электротехнического оборудования, управление производством, физическое и математическое моделирование, обработка результатов экспериментов, управление приборами и искусственными органами в медицине, обеспечение безопасности движения на транспорте и т.д.

Цель данной курсовой работы: рассмотреть классификацию, структуру и основные характеристики микропроцессоров ПК.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- раскрыть основные понятия темы;

- дать общую схему классификации микропроцессоров;

- рассмотреть структуру и основные характеристики микропроцессоров ПК.

Данная курсовая работа выполнена на компьютере Intel Pentium IV c программным обеспечением Windows XP и Microsoft Office 2003.

1.Теоретическая часть. Микропроцессоры и их характеристика.

Введение

Актуальность темы состоит в том, что микропроцессор компьютера является основой современной компьютерной техники. Компьютерная техника лежит в основе современного прогресса. Она обеспечивает работу современных станков, контроль технологических процессов на производстве, связь на всех уровнях (от межгосударственного до бытового). С помощью нее проводятся сложные и трудоемкие расчеты, что значительно ускоряет процессы конструирования, разработки, фундаментальные исследования, то есть задает темпы прогресса. И в зависимости от того, как будет в будущем меняться мощность этой маленькой детали, будет зависеть производительность всей компьютерной техники в целом. Полученные в ходе написания работы знания могут пригодиться и в обыденной жизни, например при приобретении персонального компьютера.

Для раскрытия выбранной темы необходимо рассмотреть ряд таких вопросов, как: структура микропроцессор, его характеристики, а так же классификацию микропроцессоров персонального компьютера.

1.1 Основные понятия

Процессор - это не просто скопище транзисторов, а целая система множества важных устройств. На любом процессорном кристалле находятся:

Собственно процессор, главное вычислительное устройство, состоящее из миллионов логических элементов -транзисторов.

Кэш-память первого уровня - небольшая (несколько десятков килобайт) сверхбыстрая память, предназначенная для хранения промежуточных результатов вычислений.

Кэш-память второго уровня - эта память чуть помедленнее, зато больше - от 128 килобайт до 2 Мб.

Все эти устройства размещаются на кристалле площадью не более 4-6 квадратных сантиметров.

Арифметико-логическое устройство - часть процессора, которая выполняет команды.

Устройство управления - часть процессора, выполняющая функции управления устройствами.

Тактовая частота. Самый важный показатель, определяющий скорость работы процессора. Тактовая частота, измеряемая в мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц), обозначает лишь то количество циклов, которые совершает работающий процессор за единицу времени (секунду).

Размер кэш-памяти. В эту встроенную память процессор помещает все часто используемые данные, чтобы не обращаться каждый раз - к более медленной оперативной памяти и жесткому диску.

Кэш-память в процессоре имеется двух видов. Самая быстрая - кэш-память первого уровня (32 кб у процессоров Intel и до 128 кб - в последних моделях AMD).

Частота системной шины. Шиной называется та аппаратная магистраль, по которой перемещаются от устройства к устройству данные. Чем выше частота шины, тем больше данных поступает за единицу времени к процессору.

1.2 Классификация микропроцессоров

По числу больших интегральных схем (БИС) в микропроцессорном комплекте различают микропроцессоры однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные.

Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров улучшаются. Однако возможности однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса. Для получения многокристального микропроцессора необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС). Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно.

Многокристальные секционные микропроцессоры получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями.

По назначению различают универсальные и специализированные микропроцессоры.

Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач. Специализация МП, т.е. его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функций позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач.

Среди специализированных микропроцессоров можно выделить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций, математические МП, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций за счет, например, матричных методов их выполнения, МП для обработки данных в различных областях применений и т. д.

По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые микропроцессоры. Сами микропроцессоры - цифровые устройства, однако могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговые сигналы передаются в МП через преобразователь в цифровой форме, обрабатываются и после обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход. С архитектурной точки зрения такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов и называются аналоговыми микропроцессорами. Отличительная черта аналоговых микропроцессоров способность к переработке большого объема числовых данных, т. е. к выполнению операций сложения и умножения с большой скоростью при необходимости даже за счет отказа от операций прерываний и переходов.

По характеру временной организации работы микропроцессоры делят на синхронные и асинхронные.

Синхронные микропроцессоры - микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов).

Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции.

По организации структуры микропроцессорных систем различают микроЭВМ одно- и многомагистральные.

В одномагистральных микроЭВМ все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются коды данных, адресов и управляющих сигналов.

В многомагистральных микроЭВМ устройства группами подключаются к своей информационной магистрали. Это позволяет осуществить одновременную передачу информационных сигналов по нескольким (или всем) магистралям. Такая организация систем усложняет их конструкцию, однако увеличивает производительность.

По количеству выполняемых программ различают одно- и многопрограммные микропроцессоры.

В однопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы.

В много- или мультипрограммных микропроцессорах одновременно выполняется несколько (обычно несколько десятков) программ.

1.3 Структура и основные характеристики микропроцессоров

Процессор — основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления [3, с.80]. Собственно говоря, процессор в компьютере не один — их может быть целый десяток! Собственным процессором снабжена видеоплата, звуковая плата, множество внешних устройств (например, принтер). И часто по производительности эти микросхемы могут поспорить с главным, Центральным Процессором. Но в отличие от него, все они являются узкими специалистами — один отвечает за обработку звука, другой — за создание трехмерного изображения.

Основное и главное отличие центрального процессора — это его универсальность. При желании центральный процессор может взять на себя любую работу, в то время как процессор видеоплаты при всем желании не сможет раскодировать, скажем, музыкальный файл.

Однако процессор — это не просто скопище транзисторов, а целая система множества важных устройств [4, с.38]. В состав микропроцессора входят следующие устройства.

1. Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией.

2. Устройство управления координирует взаимодействие различных частей компьютера. Выполняет следующие основные функции:

• формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполнения различных операций;

• формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера;

• получает от генератора тактовых импульсов обратную последовательность импульсов.

3. Микропроцессорная память предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, используемой в вычислениях непосредственно в ближайшие такты работы машины. Микропроцессорная память строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия компьютера, так как основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора [5]. Важно также отметить, что данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах [3, с.80].

4. Кэш-память. Буферная память — своеобразный накопитель для данных. В современных процессорах используется два типа кэш-памяти: первого уровня — небольшая (несколько десятков килобайт) сверхбыстрая память, и второго уровня — чуть помедленнее, зато больше — от 128 килобайт до 2 Мб [4, с.38].

5. Процессор связан несколькими группами проводников называемых шинами. С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью. Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина.

1. Адресная шина. Шина или часть шины, предназначенная для передачи адреса, а именно используется ЦП для выбора требуемой ячейки памяти или устройства ввода-вывода путем установки на шине конкретного адреса, соответствующего одной из ячеек памяти или одного из элементов ввода-вывода, входящих в систему.

2. Шина команд. По ней передаются управляющие сигналы, предназначенные памяти и устройствам ввода-вывода. Эти сигналы указывают направление передачи данных (в процессор или из него).

3. Шина данных — информационная магистраль, благодаря которой процессор может обмениваться данными с другими устройствами компьютера [3, с.80].

Микропроцессоры отличаются друг от друга двумя главными характеристиками: типом (моделью) и тактовой частотой. Одинаковые модели микропроцессоров могут иметь разную тактовую частоту - чем выше тактовая частота, тем выше производительность и цена микропроцессора. Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет в одну секунду. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц). Следует заметить, что разные модели микропроцессоров выполняют одни и те же операции за разное число тактов. Чем выше модель микропроцессора, тем меньше тактов требуется для выполнения одних и тех же операций.

Рассмотрим характеристики процессоров более подробно.

1. Тип микpопpоцессоpа.

Тип установленного в компьютеpе микpопpоцессоpа является главным фактоpом, опpеделяющим облик ПК. Именно от него зависят вычислительные возможности компьютеpа. В зависимости от типа используемого микpопpоцессоpа и опpеделенных им аpхитектуpных особенностей компьютеpа pазличают пять классов ПК:

- компьютеры класса XT;компьютеpы класса AT;компьютеpы класса 386;компьютеpы класса 486;компьютеpы класса Pentium.

2. Тактовая частота микpопpоцессоpа - указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет за одну секунду.

Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов. Частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины, или просто, такт работы машины.

Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.

3. Быстpодействие микpопpоцессоpа - это число элементаpных опеpаций, выполняемых микpопpоцессоpом в единицу вpемени (опеpации/секунда).

4. Разpядность пpоцессоpа - максимальное количество pазpядов двоичного кода, котоpые могут обpабатываться или пеpедаваться одновpеменно.

5. Аpхитектуpа микpопpоцессоpа.

Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы.

В соответствии с аpхитектуpными особенностями, опpеделяющими свойства системы команд, pазличают:

- микропроцессоры типа CISC с полным набором системы команд;

- микропроцессоры типа RISC с усеченным набором системы команд;

- микропроцессоры типа VLIW со сверхбольшим командным словом;

- микропроцессоры типа MISC с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием и др.

Заключение

Микропроцессор представляет собой компьютер в миниатюре. Кроме обрабатывающего блока, он содержит блок управления, и даже память (внутренние ячейки памяти). Это значит, что микропроцессор способен автономно выполнять все необходимые действия с информацией. Многие компоненты современного персонального компьютера содержат внутри себя миниатюрный компьютер. Массовое распространение микропроцессоры получили и в производстве, там, где управление может быть сведено к отдаче ограниченной последовательности команд.

Микропроцессоры незаменимы в современной технике. Например, управление современным двигателем - обеспечение экономии расхода топлива, ограничение максимальной скорости движения, контроль исправности и т. д. - немыслимо без использования микропроцессоров. Еще одной перспективной сферой их использования является бытовая техника - применение микропроцессоров придает ей новые потребительские качества.

Вскоре на рынке появится новый микропроцессор, который в перспективе способен расширить выбор элементной базы для недорогих ПК. Микросхема называется IDT-C6 и представляет собой микропроцессор класса Pentium, изготовление которого компания Integrated Device Technology Inc. планирует начать осенью этого года. Компания, расположенная в Санта-Кларе (шт. Калифорния), намеревается выпускать микропроцессоры с внутренней тактовой частотой 150, 180 и 200 МГц и средствами MMX, сообщил Гленн Хенри, президент компании IDT, разработавшего эту микросхему.

Это все говорит о том, что производство и усовершенствование микропроцессоров не стоит на месте. Современные технологии с каждым днем упрощают работу человека с компьютером, давая ему больше возможностей для работы.

2. Практическая часть

2.1 Общая характеристика задачи

Наименование экономической задачи: составление реестра договоров по филиалам страховой компании. Цель решения задачи – определение отчислений для их уплаты.

Компания имеет свои филиалы в нескольких городах (рисунок 2) и поощряет развитие каждого филиала, предоставляя определенный дисконт. Дисконт пересматривается ежемесячно по итогам общих сумм договоров по филиалам.

В конце каждого месяца составляется общий реестр договоров по всем филиалам (рисунок 3).

ГОСТ

Микропроцессорная техника — это управляемое программными средствами оборудование, предназначенное для обработки цифровых информационных данных и управления этой обработкой, которое выполнено как одна большая интегральная схема (или набор таких схем).

Введение

К началу семидесятых годов прошлого века технологические успехи в сфере микроэлектроники позволили создать новую электронную элементную базу, а именно, микроэлектронные большие интегральные схемы (БИС). В состав БИС могло входить более тысячи активных компонентов, а чуть позднее были разработаны сверхбольшие БИС (СБИС), которые могли состоять из более чем десяти тысяч компонентов.

Налаживание выпуска новых БИС даже сегодня является достаточно сложным и недешёвым процессом, что объясняется значительными первоначальными затратами на проектирование их логических структур и топологии, формирование фотошаблонов и технологическую подготовку производства. Весь процесс занимает около года работы коллектива специалистов. По этой причине проектирование и производство БИС является экономически оправданным только при их массовом производстве, когда количество измеряется от десятков до сотен тысяч экземпляров в год. А проектировать специализированные БИС для всех конкретных применений фактически считается не реальным. По этой причине разработчики микросхем высокой степени интеграции пришли к идее формирования единой унифицированной БИС, вернее определённого их набора, область использования которого в каждом конкретном случае определяется не схемными, а программными методами. Таким образом стали появляться стандартизированные универсальные компоненты, а именно, микропроцессорные БИС, имеющие структуру, аналогичную организации электронных вычислительных машин (ЭВМ).

Микропроцессорная техника

Стоимость микропроцессора существенно меньше, чем стоимость обычного процессора, выполненного на базе интегральных схем малой и средней степени интеграции, а экономичность и надёжности в работе - выше. Микропроцессорные модули используются в измерительных приборах, для того, чтобы расширить их функциональные возможности, придать им новые свойства, превратить их в системные комплексы, а также улучшить характеристики отдельных блоков и устройства в целом.

Готовые работы на аналогичную тему

Микропроцессор состоит из:

Арифметико-логического устройства (АЛУ), предназначенного для реализации арифметических и логических операций. Арифметической операцией считается процедура информационной обработки, аргументы и итоги которой выражены в числовом формате. Логической операцией является процедура, осуществляющая формирование сложных высказываний (операции И, ИЛИ, НЕ и так далее).
Регистров общего назначения (РОН), применяемых для информационного хранения. Это сверхоперативные запоминающие устройства, которые служат для хранения операндов при исполнении операций. Количественный набор и предназначение этих регистров в микропроцессоре определяется его архитектурной организацией.
Аккумуляторов, то есть регистров из которых считывается одно из чисел, с которыми выполняются арифметические или логические операции. В него же записывается итоговый результат.
Счётчика адреса команд, где сохраняется адрес ячейки памяти с записанным кодом исполняемой команды.
Регистра флагов или условий, в котором размещается информация о параметрах итога исполнения арифметических или логических операций. К примеру, результат равен нулю, произошло переполнение и прочее.
Регистра адреса стека, где записывается адрес последней отведённой для стека ячейки памяти.
Блока управления шинами микропроцессорной системы, то есть модуля, вырабатывающего сигналы для внешних шин микропроцессора, что означает управление микропроцессорной системой.
Блока дешифровки кодов команд.
Таймера, то есть счётчика, предназначенного для подсчёта внутренних действий.
Модуля оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), которое предназначено для приёма, сохранения и отправки информационных данных, применяемых при выполнении программы.
Модуля постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), который предназначен для выдачи констант, требуемых при переработке данных в АЛУ.
Модуля кэш памяти, который служит для сохранения в микропроцессоре копий команд, операндов и информационных данных, к которым в последний раз обращался микропроцессор.
Шин адреса, данных и управления, то есть это набор линий для передачи однотипных данных.
Шинного интерфейса, то есть модуля, выполняющего операции по согласованию действий среди внутренних модулей микропроцессора и внешними системами.

По количеству БИС микропроцессоры классифицируются следующим образом:

Однокристальные, в которых все модули микропроцессора помещаются в едином кристалле одной микросхемы.
Многокристальные, в которых разные модули микропроцессора помещены в разные кристаллы.

По своему предназначению микропроцессоры подразделяются на следующие типы:

Корпорация Intel для использования в РС выпускала микропроцессоры различной разрядности. Наиболее известные из них:

шестнадцатиразрядные микропроцессоры (МП i8086),

двадцатичетырехразрядные микропроцессоры (МП i8286),

тридцатидвухразрядные микропроцессоры (от МП i8386 – до Pentium IV),

шестидесятичетырехразрядные микропроцессоры (Itanium.). Но это уже принципиально новая модель архитектуры EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing – вычисления с явным параллелизмом команд).

Имеется еще расширение архитектуры МП, совместимых c IBM PC, до 64 бит (модели МП Hammer (К-8) корпорации АМD), но это расширение коснулось только формата данных и РОН.

В МП этих архитектур можно выделить по режимам работы четыре программные модели:

Реальный режим шестнадцатиразрядного микропроцессора МП i8086,

Защищенный режим работы,

Реальный режим тридцатидвухразрядного микропроцессора,

Виртуальный режим 86.

Реальный режим шестнадцатиразрядного микропроцессора МП i8086

Защищенный режим работы

Это основной 32-разрядный режим работы для 32-разрядных микропроцессоров МП IA (Intel архитектуры). В этом режиме доступны все команды и все архитектурные возможности. Используется механизм виртуальной памяти, все встроенные средства защиты, процедура переключения задач (режим МП IA-32). Дополнительными режимами для них являются реальный и виртуальный 86 (режим V86).

Реальный режим 32-разрядного микропроцессора

Это 16-разрядный режим адресации и обработки данных с прямым обращением к памяти. Режим эмулирует программную среду (модель) МП 8086 с некоторыми дополнительными возможностями, включая новые РОНы, часть новых команд и расширений как адресов, так и данных. Но в любом случае, 32-разрядное смещение в сегменте не должно превышать значения 65 535 (64 Кбайт).

При запуске или перезагрузке МП устанавливается именно реальный режим. Он используется для подготовки программной среды для работы в защищенном режиме.

Виртуальный режим 86

Это разновидность формы эмуляции модели 8086. Здесь нет прямой адресации памяти. В этом режиме применяются механизмы защиты и виртуальной памяти. Виртуальный режим 86 устанавливается из защищенного (для запуска программ, написанных для реального режима) с возможностью возврата в защищенный режим.

Вопросы для самопроверки:

1. Характеристики защищенного режима работы МП, возможности использования разрядности операндов и других средств архитектуры.

2. Характеристика реального режима работы МП, назначение режима, возможности использования разрядности операндов и других средств архитектуры.

3. Характеристика виртуального режима 86, назначение режима и возможности использования разрядности операндов и других средств архитектуры.

3.2. Программная модель 16-ти битового микропроцессора МП IA-16

3.2.1. Модель памяти

Одна из особенностей МП Intel – это использование сегментированной памяти. Полнокровное развитие персональных ЭВМ (PC) началось с появления 16-разрядных микропроцессоров. Изначально микропроцессоры предназначались для управляющих систем. Персональные ЭВМ проектировались для широкого круга пользователей как максимально дешевых индивидуальных (одна для одного) ЭВМ для эксплуатации без посредников (профессиональных программистов). Для этого они должны были быть снабжены определенными средствами программирования на основе простейших языков программирования (типа Бейсик), управляющей (операционной) программной системой и простейшими офисными системами: текстовыми редакторами, электронными таблицами и т.д.

16-разрядная адресация позволяла адресовать только 2 16 = 65 536 байт (64 Кбайт). Этого было достаточно для управляющих ЭВМ, но не для PC. Вероятно, по этой причине была выбрана модель структурированной математической памяти (Рис. 3.1.), состоящая из 16 сегментов по 65 536 байт (64 Кбайт). Этот прием позволил увеличить адресное пространство математической памяти в реальном режиме до 2 20 = 1 048 576 (1 Мбайт).

При этом первые 10 сегментов определялись как память пользователей, а остальные 6 сегментов – как системные (для операционной системы). Кроме этого, вводился еще один дополнительный сегмент (64 Кбайт) для адресации портов. Порты – это программно-доступные (адресуемые) регистры контроллеров устройств ввода-вывода. Это отдельное (дополнительное) адресное пространство процессора.

Биты в памяти, как и в регистрах, нумеруются с младших разрядов. Многобайтные операнды адресуются по номеру младшего байта. Размещение программных объектов без соблюдения правил целочисленных границ не рекомендуется

Использование сегментированной математической памяти для расширения адресного пространства имеет и отрицательные стороны. Это несоответствие адресных структур математической и физической (линейной) памяти.

При каждом обращении к физической памяти необходима процедура преобразование адреса обращения из адреса сегментированной математической памяти в адрес линейной физической памяти. Это процедура трансляции сегмента.

Процедура трансляции сегментов заключается в вычислении адреса линейной, плоской физической оперативной памяти по адресу сегмента и смещению в сегменте.

Вопросы для самопроверки:

1. Понятие сегментированной памяти.

2. Размер сегмента в МП IA-16.

3. Максимальное число сегментов в МП IA-16.

4. Процедура трансляции сегментов в МП IA-16.

5. Место хранения базовых адресов сегментов.

3.2.2. Порты ввода/вывода

МП позволяет адресовать порты в адресном пространстве портов (64 Кб) и адресном пространстве оперативной памяти.

Для адресации портов используются команды IN, INS (для ввода) и OUT, OUTS (для вывода), а для адресации ячеек памяти – любые адресные команды.

Для доступа к порту ввода/вывода, расположенному в адресном пространстве памяти могут использоваться любые работающие с памятью команды. Это дает некоторую гибкость работы с портами. Например, команда MOV позволяет пересылать данные между портом и любым регистром. Команды AND, OR, и TEST позволяют манипулировать с отдельными битами управляющих регистров портов при программировании процедур ввода/вывода. Сегменты логической памяти, порты ввода/вывода и их отображение (возможное размещение) в памяти представлены на рис. 3.1.

Если при отображении портов на адресное пространство памяти используется сегментация, то поля AVL в дескрипторах сегментов позволяют отметить сегменты как неперемещаемые и не подлежащие подкачке.

Все сегменты (включая сегменты портов) в плоской памяти задаются двумя независимыми параметрами: сегментом (базовый адрес сегмента) и адресом объекта в сегменте (смещением в сегменте).

Адресное пространство портов:

2 16 = 65 536 однобайтных портов с нумерацией от 0 до 65 535 или

2 15 = 32 768 двухбайтных портов с нумерацией от 0 до 65 534 или

2 14 = 16 384 четырехбайтовых портов с нумерацией от 0 до 65 532.

В командах ввода/вывода адреса портов от 1 до 255 могут задаваться прямыми адресами:

IN al, 24 – ввод байта из 24-го порта в регистр al,

IN ax, 24 – ввод слова из 24-го порта в регистр ax,

IN eax, 24 – ввод двойного слова из 24-го порта в регистр eax,

Задание в командах портов с адресами больших 255 производится с использованием регистра dx:

MOV dx, 1024 ;засылка адреса порта в dx

IN al, dx ;ввод байта из 1024-го порта в регистр al,

IN ax, 24 ;ввод слова из 1024-го порта в регистр ax,

Вопросы для самопроверки:

1. Понятие портов.

2. Методы адресации портов.

3. Адресация портов в МП IA.

4. Команды обращения к портам в МП IA-16.

2.2.3. Регистровый файл

Регистровый файл МП IA-16 содержит 14 пользовательских регистров:

регистры общего назначения (РОНы) – 8 регистров,

сегментные регистры – 4 регистра,

указатель команд – 1 регистр,

регистр состояния (флагов) – 1 регистр.

Все эти регистры в той или иной степени доступны программам пользователей.

Регистры общего назначения

РОНы МП Intel (Рис.3.2) не являются классическими регистрами общего назначения. Они могут задаваться и явными адресами, и по умолчанию (кодом операции, постбайтом и т.д.).

C точки зрения использования регистров по умолчанию, они делятся на две группы:

регистры данных – ax, cx, dx и bx (по возрастанию адресов),

регистры адресов – sp, bp, si и di (по возрастанию адресов).

Регистр bx, хоть его и относят к группе регистров данных, является и одним из регистров адреса базы данных (для сегмента DS).

Регистр dx может использоваться в качестве адресного регистра портов в командах ввода/вывода.

Регистры cx, si и di по умолчанию используются при обработке строк.

При работе с 16-разрядными операндами и компонентами адреса используются 16-разрядные РОНы – ax, cx, dx, bx, sp, bp, si и di (по возрастанию адресов).

Читайте также: